CN107490532A - 一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，包括罩壳和高温炉。高温炉内有坩埚，坩埚下方设置坩埚喷管，坩埚底部中心有连通孔与坩埚喷管相通。坩埚喷管穿过高温炉底部通入罩壳上部；罩壳内设置有离心转盘，位于坩埚喷管下方。罩壳内设置分级隔板，将罩壳分隔成粒化室和颗粒观察室；离心转盘设置在粒化室内；分级隔板上布置有梯形筛选锥孔。坩埚底部的连通孔设置有可竖直提拉移动的锥形阀。高温颗粒从坩埚掉落离心转盘被甩开成颗粒流，小于筛选锥孔的颗粒进入颗粒观察室，利用高速摄像机记录飞行轨迹，计算时均面积和时均周长以计算定性粒径和球形度。本发明具有非接触式、可连续测量等优点。

Description

一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置及方法，尤其涉及一种用于确定冶金高炉渣等高温液体、固体颗粒飞行过程中几何尺度及其变化的装置和方法，属于可视化测量领域，特别适合于冶金高炉渣余热利用领域的余热锅炉传热计算的定性尺度的确定。

背景技术

我国的高炉冶炼过程产生的液态炉渣中带有大量的显热，1t生铁平均产出炉渣300～600kg，液态高炉渣温度在1400℃以上，高炉炉渣热焓约为1700MJ/t。目前普遍采用水淬的方式粒化并冷却高温液态高炉渣，不仅高炉渣的显热无法回收利用，且造成大量水资源的浪费，严重污染环境。

液态高炉渣热焓高，回收利用潜力较大，所以一直备受业界人士的关注。由于高炉液体炉渣的物理性质和高炉出渣的不连续性以及要求余热回收处理后的炉渣要具有优良的综合利用价值和性能，导致炉渣余热回收困难。目前正在发展一种液态高炉渣的粒化技术。炉渣粒化后，一方面要实现资源化，另一方面也要实现能源化。能源化最重要的一个途径就是将炉渣的高温余热作为热源，通过介质换热用余热锅炉生产蒸汽。这就涉及余热锅炉内的一个传热问题，传热包括高温辐射传热和对流传热，无论是余热锅炉的辐射传热还是对流传热计算，都需要熔渣颗粒的定性尺寸。而熔渣从1400℃冷却到200℃左右，颗粒经历了液态、冷凝态、固态等几种形式变化，特别是在液态和冷凝态时其几何尺度是不定形的，随着时间和冷却过程不断发生变化，这就需要一种适用于余热锅炉传热计算的确定炉渣平均定性尺度的方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明基于可视化的高速摄像技术，提出一种确定飞行的高温颗粒几何尺度的装置和方法，可以确定粒化后熔渣的平均定性尺度，为冶金粒化熔渣余热锅炉设计提供技术依据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，包括罩壳和设置在罩壳上方的高温炉；所述高温炉内部设置有坩埚，所述坩埚下方设置坩埚喷管，坩埚底部中心有连通孔与坩埚喷管相通；所述坩埚底部的连通孔设置有可竖直提拉移动的锥形阀；所述坩埚喷管穿过所述高温炉底部通入罩壳上部；所述罩壳内部设置有离心转盘，所述离心转盘位于所述坩埚喷管下方，所述离心转盘的竖直中心线与所述坩埚喷管的竖直中心线重合。

上述技术方案中，所述罩壳内设置分级隔板，所述分级隔板将罩壳分隔成水平并列布置的粒化室和颗粒观察室；所述离心转盘设置在粒化室内；所述分级隔板上布置有筛选锥孔。

上述技术方案中，所述粒化室顶部设置气平衡孔，所述粒化室的远离颗粒观察室的侧面设置人孔。所述粒化室内布置有支架，在支架上布置有电机，所述电机与所述离心转盘通过联轴器相连。

上述技术方案中，所述颗粒观察室的下方设置有光源，颗粒观察室顶部设置有摄像机，在摄像机镜头的下方水平布置有刻度尺，所述刻度尺通过支杆固定在所述分级隔板的侧面。

上述技术方案中，所述筛选锥孔为梯形孔，梯形孔的最短边中心孔的直径d为1～10mm，梯形孔的梯形的倒角(即梯形边与水平线的夹角)角度α为15～30°；所述刻度尺的分辨率为0.1mm。

一种确定飞行高温颗粒几何尺度的方法，其采用如上述技术方案所述的一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，所述方法包括：

锥形阀向下封住坩埚底部中心的连通孔；

将适量固态颗粒物料放入高温炉的坩埚中，所述固态颗粒物料被高温炉加热到温度T，成为固态或者熔融态的高温物料；

向上提起锥形阀，坩埚内温度为T的高温物料从连通孔下落，通过坩埚喷管滴落到离心转盘上；

离心转盘在电机和联轴器的带动下以转速r旋转；呈固态或者熔融态的高温物料在离心转盘的离心力作用下被抛洒开，物料散化或者粒化并在离心力作用下形成颗粒流，颗粒流在粒化室内呈四散溅落，在溅落过程中粒径范围小于筛选锥孔的最短边中心孔直径的单颗粒穿过分级隔板上的筛选锥孔进入到颗粒观察室；

颗粒观察室顶部的摄像机以快门帧速v记录下某一单颗粒的飞行轨迹；

连续截取摄像机拍摄的单颗粒的n个不同时刻的画面，通过图像分析，统计每个画面单颗粒的轮廓投影面积S，并计算单颗粒的时均面积同时，统计每个画面单颗粒的外缘轮廓周长P，并计算单颗粒的时均周长

通过时均面积计算单颗粒的定性粒径D，通过定性粒径D和时均周长计算单颗粒的球形度

上述技术方案中，所述坩埚内温度T为200～1600℃，离心转盘的转速r为500～2950rpm，摄像机的快门帧速v为1000～20000帧/s。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本发明采用非接触式测量，可直接测量飞行过程中高温液态颗粒(液珠)的几何尺度(定性直径和球形度)；②可连续测量，统计出平均值，作为传热等计算的定性尺寸，准确性好。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种确定飞行的高温颗粒几何尺度的装置的结构示意图。

图2为本发明所涉及的一种确定飞行的高温颗粒几何尺度的装置的分级隔板示意图。

图3为本发明所涉及的一种确定飞行的高温颗粒几何尺度的装置的筛选锥孔示意图。

图4为本发明所涉及的熔渣单颗粒不同时刻示意图。

图中：1－罩壳；2－人孔；3－粒化室；4－连通孔；5－气平衡孔；6－高温炉；7－坩埚；8－锥形阀；9－坩埚喷管；10－筛选锥孔；11－摄像机；12－单颗粒；13－刻度尺；14－支杆；15－分级隔板；16－颗粒观察室；17－光源；18－支架；19－电机；20－离心转盘；21－联轴器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

如图1所示，一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，装置包括罩壳1和设置在罩壳1上方的高温炉6；高温炉6内部设置有坩埚7，坩埚7下方设置坩埚喷管9，坩埚7底部中心有连通孔4与坩埚喷管相通；坩埚喷管9穿过高温炉6底部通入罩壳1上部；罩壳1内部设置有离心转盘20，离心转盘20位于坩埚喷管9下方，离心转盘20的竖直中心线与坩埚喷管9的竖直中心线重合。罩壳1内设置直立的分级隔板15，分级隔板15将罩壳1分隔成水平并列的粒化室3和颗粒观察室16；离心转盘20设置在粒化室3内。

所述粒化室3顶部设置气平衡孔5，所述粒化室3的远离颗粒观察室16的侧面设置人孔2。所述坩埚7底部的连通孔4设置有可竖直提拉移动的锥形阀8。所述粒化室3内布置有支架18，在支架18上布置有电机19，电机19与所述离心转盘20通过联轴器21相连。

所述颗粒观察室16顶部设置有摄像机11，在摄像机11镜头的下方水平布置有刻度尺13，刻度尺13通过支杆14固定在所述分级隔板15的侧面。所述刻度尺13的分辨率为0.1mm。颗粒观察室16的下方设置有光源17。

如图2所示，分级隔板15上布置有筛选锥孔10，筛选锥孔10为梯形孔，梯形最短边的中心孔直径d为1～10mm(实施例通常为1、2、3、4、5或6mm)，可调节。分级隔板15是可以更换。当实验时，首先测定和判断待测量的颗粒最大粒径，然后根据粒径选择筛选锥孔的孔径。如图3所示的实施例，筛选锥孔10为梯形孔，根据待测颗粒的最大粒径，确定梯形孔的最短边中心孔的直径d为4mm，梯形孔的梯形的倒角角度α为20°。这种梯形孔的最短边中心孔起到对粒径进行分割筛选的作用，而倒角可保证筛选通过的颗粒顺利通过筛选锥孔。

采用上述装置，确定飞行高温颗粒几何尺度通过如下方法实现：

锥形阀8向下封住坩埚7底部中心的连通孔4；

将适量固态颗粒物料放入高温炉6的坩埚7中，所述固态颗粒物料被高温炉6加热到温度T成为固态或者熔融态的高温物料；

向上提起锥形阀8，坩埚7内温度为T的高温物料从连通孔4下落，通过坩埚喷管9滴落到离心转盘20上；

离心转盘20在电机19和联轴器21的带动下以转速r旋转；呈固态或者熔融态的高温物料在离心转盘20的离心力作用下被抛洒开，物料散化或者粒化并在离心力作用下形成颗粒流，颗粒流在粒化室3内呈四散溅落；在溅落过程中，粒径范围小于筛选锥孔10的最短边中心孔直径的单颗粒12穿过分级隔板15上的筛选锥孔10进入到颗粒观察室16；

颗粒观察室16顶部的摄像机11以快门帧速v记录下单颗粒12的飞行轨迹；

连续截取摄像机11拍摄的单颗粒12的n个不同时刻的画面，通过图像分析，统计每个画面单颗粒的轮廓投影面积S，并计算单颗粒12的时均面积同时统计每个画面单颗粒12的外缘轮廓周长P，并计算单颗粒12的时均周长

通过时均面积计算单颗粒12的定性粒径通过定性粒径D和时均周长计算单颗粒12的球形度

其中一个实施例为：

锥形阀8向下封住坩埚7底部中心的连通孔4；

将适量固态颗粒物料放入高温炉6的坩埚7中，固态颗粒物料被高温炉6加热到温度T为1550℃，加入的固体物料成为高温熔融的物料；

向上提起锥形阀8，坩埚7内温度为T的高温物料从连通孔4下落流出，通过坩埚喷管9滴落到离心转盘20上；

离心转盘20在电机19和联轴器21的带动下以转速r＝1700rpm旋转；呈液体熔融状态的高温物料在离心转盘20的离心力作用下被抛洒开，液态物料粒化并在离心力作用下形成颗粒流，颗粒流在粒化室3内呈四散溅落，在溅落过程中粒径范围小于筛选锥孔10的最细短边孔直径的单颗粒12穿过分级隔板15上的筛选锥孔10进入到颗粒观察室16；

颗粒观察室16顶部的摄像机11以快门帧速v＝3000帧/s记录下单颗粒12的飞行轨迹；如图4所示，获得摄像机11拍摄的单颗粒12的n(n约为100)个不同t1、t2…tn时刻的画面，通过图像分析，统计每个画面单颗粒的轮廓投影面积S，共S1、S2....Sn个面积数值，然后计算单颗粒12的时均面积统计每个画面单颗粒12的外缘轮廓周长P，共P1、P2...Pn个周长，然后计算单颗粒12的时均周长

通过时均面积计算单颗粒12的定性粒径D，通过定性粒径D和时均周长计算单颗粒12的球形度采用这种方法，可以测定各种温度、粒化方法获得的熔渣颗粒经历液态、冷凝态、固态等几种形式时的颗粒粒度，将其平均后可以作为集总定性尺度用于余热锅炉传热计算。

在测量时，当坩埚7内的温度低于固态颗粒物料熔融温度时，固态颗粒物料将从连通孔4下落流出，通过坩埚喷管9直接掉落到离心转盘20上，然后散化形成颗粒流。利用对散化的固体颗粒的测量，可以对该方法进行标定。例如，将直径3.2mm的钢珠放入到坩埚中，然后加热到500℃时释放，选择筛选锥孔10直径d＝4mm的分级隔板15，则离心散化后的钢珠可以穿过分级隔板15上的筛选锥孔10，然后通过图像采集的方法测量其粒径和球形度，然后与钢珠实际的粒径和球形度比较，判定测量误差。

该可视化的图像处理方法可直接用于实际的高炉渣粒化装置中，在线测量高温颗粒的几何尺度变化。

Claims (8)

1.一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，其特征在于：所述装置包括罩壳(1)和设置在罩壳(1)上方的高温炉(6)；所述高温炉(6)内部设置有坩埚(7)，所述坩埚(7)下方设置坩埚喷管(9)，坩埚(7)底部中心有连通孔(4)与坩埚喷管(9)相通；所述坩埚(7)底部的连通孔(4)设置有可竖直提拉移动的锥形阀(8)；所述坩埚喷管(9)穿过所述高温炉(6)底部通入罩壳(1)上部；所述罩壳(1)内部设置有离心转盘(20)，所述离心转盘(20)位于所述坩埚喷管(9)下方，所述离心转盘(20)的竖直中心线与所述坩埚喷管(9)的竖直中心线重合。

2.根据权利要求1所述的一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，其特征在于：所述罩壳(1)内设置分级隔板(15)，所述分级隔板(15)将罩壳(1)分隔成水平并列布置的粒化室(3)和颗粒观察室(16)；所述离心转盘(20)设置在粒化室(3)内；所述分级隔板(15)上布置有筛选锥孔(10)。

3.根据权利要求1或2所述的一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，其特征在于：所述粒化室(3)顶部设置气平衡孔(5)，所述粒化室(3)的远离颗粒观察室(16)的侧面设置人孔(2)。

4.根据权利要求1所述的一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，其特征在于：所述粒化室(3)内布置有支架(18)，在支架(18)上布置有电机(19)，所述电机(19)与所述离心转盘(20)通过联轴器(21)相连。

5.根据权利要求1或2所述的一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，其特征在于：所述颗粒观察室(16)的下方设置有光源(17)，颗粒观察室(16)顶部设置有摄像机(11)，在摄像机(11)镜头的下方水平布置有刻度尺(13)，所述刻度尺(13)通过支杆(14)固定在所述分级隔板(15)的侧面。

6.根据权利要求2或5所述的一种确定飞行高温颗粒几何尺度的装置，其特征在于：所述筛选锥孔(10)为梯形孔，所述梯形孔的最短边中心孔的直径d为1～10mm，所述梯形孔的梯形的倒角角度α为15～30°；所述刻度尺(13)的分辨率为0.1mm。

7.一种确定飞行高温颗粒几何尺度的方法，其特征在于：所述方法采用如权利要求1至6任一项所述的装置，且所述方法包括

锥形阀(8)向下封住坩埚(7)底部中心的连通孔(4)；

将适量固态颗粒物料放入高温炉(6)的坩埚(7)中，所述固态颗粒物料被高温炉(6)加热到温度T成为固态或者熔融态的高温物料；

向上提起锥形阀(8)，坩埚(7)内温度为T的高温物料从连通孔(4)下落，通过坩埚喷管(9)落到离心转盘(20)上；

离心转盘(20)在电机(19)和联轴器(21)的带动下以转速r旋转；呈固态或者熔融态的高温物料在离心转盘(20)的离心力作用下被抛洒开，物料散化或者粒化并在离心力作用下形成颗粒流，颗粒流在粒化室(3)内呈四散溅落；在溅落过程中，粒径范围小于筛选锥孔(10)的最短边中心孔直径的单颗粒(12)穿过分级隔板(15)上的筛选锥孔(10)进入到颗粒观察室(16)；

颗粒观察室(16)顶部的摄像机(11)以快门帧速v记录下单颗粒(12)的飞行轨迹；

连续截取摄像机(11)拍摄的单颗粒(12)的n个不同时刻的画面，通过图像分析，统计每个画面单颗粒的轮廓投影面积S，并计算单颗粒(12)的时均面积同时统计每个画面单颗粒(12)的外缘轮廓周长P，并计算单颗粒(12)的时均周长

通过时均面积计算单颗粒(12)的定性粒径通过定性粒径D和时均周长计算单颗粒(12)的球形度

8.根据权利要求7所述的一种确定飞行高温颗粒几何尺度的方法，其特征在于：所述坩埚(7)内温度T为200～1600℃，所述离心转盘(20)的转速r为500～2950rpm，所述摄像机(11)的快门帧速v为1000～20000帧/s。